As usinas termelétricas convencionais são aquelas que produzem eletricidade a partir de uma fonte de calor. Para gerar energia elétrica, eles obtêm energia térmica de combustível (geralmente carvão, óleo ou gás natural) para produzir vapor de água. Posteriormente, uma turbina a vapor conectada a um gerador, transforma o vapor em energia elétrica.
As usinas a vapor podem ser divididas em várias seções:
- Linha de energia.
- Produção de vapor.
- Turbina a vapor.
- Condensador.
Embora a definição de uma usina termelétrica seja bastante restritiva, podem ser observados diferentes tipos de ciclos termodinâmicos que atendem a esses requisitos. Os ciclos mais difundidos são os ciclos Rankine e os ciclos Hirn.
As usinas a vapor mais comuns são usinas de energia nuclear, usinas de carvão, usinas de energia solar térmica e usinas de ciclo combinado.
As plantas de ciclo combinado são baseadas em duas máquinas térmicas diferentes com ciclos separados. Por um lado, funciona como uma usina a vapor convencional e, por outro, por meio de uma turbina a gás natural.
Linha de força de uma usina a vapor
Antes de entrar na caldeira, a água passa por uma fase de pré-aquecimento e compressão. Ao entrar na caldeira existem vários trocadores de calor nos quais o vapor que sai da turbina pré-aquece o fluido de trabalho.
Isso permite que temperaturas mais altas entrem no gerador de vapor, resultando em maior eficiência da planta.
Como o vapor é gerado em uma usina termelétrica?
No gerador de vapor de uma usina termelétrica, a água em pressão constante é levada ao ponto de ebulição devido à pressão e com a temperatura, a água se transforma em vapor.
Isso é obtido por meio de um trocador de calor devidamente projetado dividido em diferentes partes. Estes podem ser trocados por um líquido ou por gases quentes produzidos por combustão.
Em sistemas supercríticos, o líquido de trabalho não passa mais por uma verdadeira transição de fase. Nestes sistemas, a pressão está acima do ponto crítico.
Expansão de vapor na turbina da planta
O vapor que sai do gerador de vapor é enviado para uma máquina a vapor. Esta máquina é normalmente uma turbina a vapor ou uma máquina alternativa.
A primeira parte da expansão geralmente ocorre por meio de um estágio de ação inicial.
Posteriormente, seguem-se apenas as etapas de reação, devido à sua maior eficiência. Para grandes usinas termelétricas em um determinado ponto de expansão, o vapor é enviado de volta ao gerador de vapor para reaquecimento. Desta forma, o trabalho da turbina é aumentado e ao mesmo tempo a presença de condensado em sua descarga é reduzida.
O vapor continua sua expansão na turbina, expandindo e resfriando.
Concluída a expansão, o vapor sai da turbina e vai para o condensador, para fluidos simples, ou para um dessuperaquecedor seguido do condensador, para fluidos com capela de saturação retrógrada.
O vapor expandido que sai, ainda está em alta temperatura e é enviado para um trocador de calor com a caldeira para iniciar o aquecimento do fluido para o próximo ciclo.
Qual é a função do capacitor?
O condensador de uma usina termelétrica é o componente no qual ocorre a condensação do fluido de trabalho para convertê-lo em água.
O condensador trabalha com pressões muito baixas em ciclos de água, enquanto pode estar em pressões mais altas, ainda mais altas que as pressões atmosféricas, para ciclos alimentados com outros fluidos de trabalho.
Como a energia é transformada em eletricidade?
A expansão do vapor na turbina permite a transferência de energia mecânica para as pás do rotor. Por outro lado, o rotor está conectado a um alternador que absorve energia. O alternador é um gerador síncrono trifásico conectado diretamente ao sistema elétrico principal da usina e indiretamente à rede de transmissão elétrica.
A conversão da energia mecânica em energia elétrica é realizada por meio de fenômenos de conversão mecânica eletromagnética da energia presente no alternador.
Qual é o impacto ambiental de uma usina a vapor?
Os impactos ambientais das usinas a vapor são diferentes dependendo da forma como o vapor é obtido:
- As usinas termelétricas que usam combustíveis fósseis geram gases de efeito estufa.
- As usinas nucleares não emitem gases, mas geram resíduos nucleares altamente poluentes que devem seguir um processo de armazenamento muito rigoroso.
- As usinas de energia solar térmica usam uma fonte de energia renovável e têm impacto mínimo.